.470. 智能系统学报 第12卷 (action unit,AU)控制生成，而实现人类的6种基本 表情：喜、怒、哀、乐、惊、怕，只需要其中的14个AU 单元。表2列出了FACS理论中的部分动作单元， 表3列出了6种基本表情与AU动作单元之间的控 制关系。 表2FACS的动作单元 Table 2 FACS action units AU编号 FACS名称 肌肉基础 眉内侧上扬 额肌、内侧颧肌 眉外侧上扬 额肌、外侧颧肌 图1面部表情控制点分布 Fig.1 眉毛下降 降眉间肌、皱眉肌 Distribution of facial expression control points 4 3 情感机器人不同个性的表情仿真 上眼睑上挑 上脸提肌 6 面颊上扬 眼轮匝肌、颜肌外侧 本节通过建立人脸模型，赋予其类似人体皮肤 的材料力学参数，然后采用ANSYS有限元仿真分析 7 眼睑紧闭 眼轮匝肌、颜肌内侧 的方法进行不同个性的面部表情仿真，得到不同个 9 皱鼻子 提上唇肌、鼻肌 性的面部表情仿真结果，并列出面部控制区域的载 10 上唇上提 提上唇肌、眼轮匝肌 荷和位移。 12 嘴角拉伸 颧肌调整 3.1面部表情模拟仿真过程 15 嘴角下压 口三角肌 3.1.1面部弹性体模型的建立与设置 根据三维人脸建模技术，按照与SHFR-Ⅲ1：1 17 拾下巴 颏肌 的比例建立仿人机器人的人脸模型。由于人类面 20 唇拉伸 笑肌 部特征曲面形状非常复杂，建模难度大，这里采用 25 两唇分开 降下唇肌或口轮匝肌 Solidworks强大的曲面设计功能建立人脸模型。利 26 下巴下降 颞骨肌、翼内肌放松 用Solidworks曲面特征，结合3-D草图功能首先绘 制出人体面部的器官，如眉毛、眼睛、鼻子和嘴巴， 表3基本表情与AU的关系[5-16 然后再逐渐向边界扩展，直至拼接出一张完整的人 Table 3 The relationship between basic expressions and AU 脸曲面，最后将所有曲面缝合在一起，这样就建立 表情 AU 了人脸曲面模型。 高兴 通过ASNSYS与Solidworks软件的自动接口程 6+12+26 序，将人脸曲面模型导入ANSYS1)。为力求仿真结 悲伤 1+4+15 果真实可靠，在ANSYS中将人脸曲面模型设置为接 惊奇 1+2+5+26 近人体皮肤的厚度。考虑到材料不会发生大的应变 情况，这里将人脸模型简化设置为普通线弹性模型。 恐惧 1+2+4+5+7+20+25.26 本研究中赋予人脸模型的材料属性为：弹性模量为 愤怒 4+5+10+25 7840Pa,泊松比为0.475，密度为1200kg/m3,各向 同性。图2为面部皮肤弹性体模型及其尺寸。 厌恶 4+9+17 80 mm 根据表2、3研究可以得出，只要能够实现表2 中的14个AU单元，便可控制生成仿人机器人的面 部表情。根据仿生学原理，在仿人机器人的面部添 加多个控制点，仿人机器人面部控制点将根据人类 面部肌肉的特点来布置。眉毛上布置两个控制点， 眼部的上眼脸布置一个控制点，嘴部的嘴角和上下 嘴唇布置4个控制点。仿人机器人面部表情控制点 180mm 图2面部皮肤弹性体模型及尺寸 的详细分布情况如图1所示[7]。 Fig.2 Model and size of facial skin elasticity（ａｃｔｉｏｎ ｕｎｉｔ， ＡＵ）控制生成，而实现人类的 ６ 种基本 表情：喜、怒、哀、乐、惊、怕，只需要其中的 １４ 个 ＡＵ 单元。 表 ２ 列出了 ＦＡＣＳ 理论中的部分动作单元， 表 ３ 列出了 ６ 种基本表情与 ＡＵ 动作单元之间的控 制关系。 表 ２ ＦＡＣＳ 的动作单元 Ｔａｂｌｅ ２ ＦＡＣＳ ａｃｔｉｏｎ ｕｎｉｔｓ ＡＵ 编号 ＦＡＣＳ 名称 肌肉基础 １ 眉内侧上扬 额肌、内侧颧肌 ２ 眉外侧上扬 额肌、外侧颧肌 ４ 眉毛下降 降眉间肌、皱眉肌 ５ 上眼睑上挑 上睑提肌 ６ 面颊上扬 眼轮匝肌、颧肌外侧 ７ 眼睑紧闭 眼轮匝肌、颧肌内侧 ９ 皱鼻子 提上唇肌、鼻肌 １０ 上唇上提 提上唇肌、眼轮匝肌 １２ 嘴角拉伸 颧肌调整 １５ 嘴角下压 口三角肌 １７ 抬下巴 颏肌 ２０ 唇拉伸 笑肌 ２５ 两唇分开 降下唇肌或口轮匝肌 ２６ 下巴下降 颞骨肌、翼内肌放松 表 ３ 基本表情与 ＡＵ 的关系［１５－１６］ Ｔａｂｌｅ ３ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｂａｓｉｃ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓ ａｎｄ ＡＵ 表情 ＡＵ 高兴 ６＋１２＋２６ 悲伤 １＋４＋１５ 惊奇 １＋２＋５＋２６ 恐惧 １＋２＋４＋５＋７＋２０＋２５，２６ 愤怒 ４＋５＋１０＋２５ 厌恶 ４＋９＋１７ 根据表 ２、３ 研究可以得出，只要能够实现表 ２ 中的 １４ 个 ＡＵ 单元，便可控制生成仿人机器人的面 部表情。 根据仿生学原理，在仿人机器人的面部添 加多个控制点，仿人机器人面部控制点将根据人类 面部肌肉的特点来布置。 眉毛上布置两个控制点， 眼部的上眼睑布置一个控制点，嘴部的嘴角和上下 嘴唇布置 ４ 个控制点。 仿人机器人面部表情控制点 的详细分布情况如图 １ 所示［１７］ 。 图 １ 面部表情控制点分布 Ｆｉｇ．１ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｃｉａｌ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ ３ 情感机器人不同个性的表情仿真 本节通过建立人脸模型，赋予其类似人体皮肤 的材料力学参数，然后采用 ＡＮＳＹＳ 有限元仿真分析 的方法进行不同个性的面部表情仿真，得到不同个 性的面部表情仿真结果，并列出面部控制区域的载 荷和位移。 ３．１ 面部表情模拟仿真过程 ３．１．１ 面部弹性体模型的建立与设置 根据三维人脸建模技术，按照与 ＳＨＦＲ⁃Ⅲ １：１ 的比例建立仿人机器人的人脸模型。 由于人类面 部特征曲面形状非常复杂，建模难度大，这里采用 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ 强大的曲面设计功能建立人脸模型。 利 用 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ 曲面特征，结合 ３⁃Ｄ 草图功能首先绘 制出人体面部的器官，如眉毛、眼睛、鼻子和嘴巴， 然后再逐渐向边界扩展，直至拼接出一张完整的人 脸曲面，最后将所有曲面缝合在一起，这样就建立 了人脸曲面模型。 通过 ＡＳＮＳＹＳ 与 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ 软件的自动接口程 序，将人脸曲面模型导入 ＡＮＳＹＳ ［１８］ 。 为力求仿真结 果真实可靠，在 ＡＮＳＹＳ 中将人脸曲面模型设置为接 近人体皮肤的厚度。 考虑到材料不会发生大的应变 情况，这里将人脸模型简化设置为普通线弹性模型。 本研究中赋予人脸模型的材料属性为：弹性模量为 ７ ８４０ Ｐａ，泊松比为 ０．４７５，密度为 １ ２００ ｋｇ ／ ｍ ３ ，各向 同性［１９］ 。 图 ２ 为面部皮肤弹性体模型及其尺寸。 图 ２ 面部皮肤弹性体模型及尺寸 Ｆｉｇ．２ Ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｓｉｚｅ ｏｆ ｆａｃｉａｌ ｓｋｉｎ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ·４７０· 智 能 系 统 学 报 第 １２ 卷